Geometrical Optics: Electromagnetic waves, Black body radiation; Reflection law, plane mirror, curved mirror (concave mirror and convex mirror), graphical methods; Refraction law (Snell law), chromatic dispersion, total internal reflection, optical fibers, diopter, apparent depth and mirages, lens and thin lens, Converging and Diverging Lens, image formation, optical systems, the eye, the microscope, main microscopy techniques
Ottica Geometrica: Onde elettromagnetiche, radiazione di corpo nero; legge della riflessione, specchio piano, specchi curvi (specchio concavo e specchio convesso), metodi grafici; legge della rifrazione (legge di Snell), dispersione cromatica, riflessione interna totale, fibre ottiche, diottri (diottro convesso, concavo e piano), profondità apparente e miraggi, lenti e lente sottile, lenti convergenti e divergenti, formazione immagine, sistemi ottici, l'occhio, il microscopio, cenni su principali tecniche di microscopia
I. Electronic properties of nanomaterials.
Physics of inorganic nanostructures: Band structure engineering, quantum confinement, quantum wells/wires/dots, electronic states, energy levels and density of states, selected experimental results on characterization (STS, WF mapping, optical spectroscopy) and applications (lasers, single photon sources, single electron transistors).
Physics of organic nanosystems: Carbon nanostructures (nanotubes, fullerenes and graphene: band structure, Dirac Points, electronic properties, Raman spectra, electronic transport, Klein tunneling and applications), charge transport in conductive polymers and organic semiconductors.
È la macchina più potente mai costruita dall’uomo. Si chiama LHC e si trova al CERN di Ginevra (Svizzera), il laboratorio di parti- celle dove lavorano oltre 3.000 scienziati (tra cui 700 italiani). Serve per trovare, tra le altre cose, il Bosone di Higgs, la particella che è stata soprannominata, in modo un po’ pomposo, dal Premio Nobel per la Fisica, Leon Max Lederman, “Particella di Dio”.
Puoi immaginare l’LHC come il più grande e potente microscopio della storia della scienza. È un lungo tubo sotterraneo (arriva a 100 metri sottoterra) a forma di anello e largo 27 chilometri.
Chiari: Lezione su acceleratori di particelle (2012)Massimo Chiari
Slide delle lezioni su acceleratori di particelle e sorgenti di ioni nell'ambito del corso "Tecniche di analisi con fasci di ioni", corso di Laurea Magistrale in Fisica e Astrofisica, Univ. Firenze AA 2011-2012 (Massimo Chiari, P.A. Mandò)
L’acronimo DWDM è ormai assai noto e conviene
dedicare solo un po’ di spazio alla sua spiegazione.
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) indica
la tecnica di multiplazione che permette di trasmettere
contemporaneamente su una singola fibra ottica
una molteplicità di segnali generati da sorgenti laser
diverse, accordate su differenti lunghezze d’onda
indicate in genere come “lambda”
Geometrical Optics: Electromagnetic waves, Black body radiation; Reflection law, plane mirror, curved mirror (concave mirror and convex mirror), graphical methods; Refraction law (Snell law), chromatic dispersion, total internal reflection, optical fibers, diopter, apparent depth and mirages, lens and thin lens, Converging and Diverging Lens, image formation, optical systems, the eye, the microscope, main microscopy techniques
Ottica Geometrica: Onde elettromagnetiche, radiazione di corpo nero; legge della riflessione, specchio piano, specchi curvi (specchio concavo e specchio convesso), metodi grafici; legge della rifrazione (legge di Snell), dispersione cromatica, riflessione interna totale, fibre ottiche, diottri (diottro convesso, concavo e piano), profondità apparente e miraggi, lenti e lente sottile, lenti convergenti e divergenti, formazione immagine, sistemi ottici, l'occhio, il microscopio, cenni su principali tecniche di microscopia
I. Electronic properties of nanomaterials.
Physics of inorganic nanostructures: Band structure engineering, quantum confinement, quantum wells/wires/dots, electronic states, energy levels and density of states, selected experimental results on characterization (STS, WF mapping, optical spectroscopy) and applications (lasers, single photon sources, single electron transistors).
Physics of organic nanosystems: Carbon nanostructures (nanotubes, fullerenes and graphene: band structure, Dirac Points, electronic properties, Raman spectra, electronic transport, Klein tunneling and applications), charge transport in conductive polymers and organic semiconductors.
È la macchina più potente mai costruita dall’uomo. Si chiama LHC e si trova al CERN di Ginevra (Svizzera), il laboratorio di parti- celle dove lavorano oltre 3.000 scienziati (tra cui 700 italiani). Serve per trovare, tra le altre cose, il Bosone di Higgs, la particella che è stata soprannominata, in modo un po’ pomposo, dal Premio Nobel per la Fisica, Leon Max Lederman, “Particella di Dio”.
Puoi immaginare l’LHC come il più grande e potente microscopio della storia della scienza. È un lungo tubo sotterraneo (arriva a 100 metri sottoterra) a forma di anello e largo 27 chilometri.
Chiari: Lezione su acceleratori di particelle (2012)Massimo Chiari
Slide delle lezioni su acceleratori di particelle e sorgenti di ioni nell'ambito del corso "Tecniche di analisi con fasci di ioni", corso di Laurea Magistrale in Fisica e Astrofisica, Univ. Firenze AA 2011-2012 (Massimo Chiari, P.A. Mandò)
L’acronimo DWDM è ormai assai noto e conviene
dedicare solo un po’ di spazio alla sua spiegazione.
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) indica
la tecnica di multiplazione che permette di trasmettere
contemporaneamente su una singola fibra ottica
una molteplicità di segnali generati da sorgenti laser
diverse, accordate su differenti lunghezze d’onda
indicate in genere come “lambda”
L’adroterapia fu proposta per la prima volta da Robert R. Wilson nel 1946.
Sfruttando il modo particolare in cui gli adroni carichi depositano energia nella materia, il cosiddetto picco di Bragg, è possibile rilasciare un’elevata dose in tumori anche profondi, limitando l’irradiazione sia dei tessuti sani circostanti che del canale d’entrata. La figura della pagina seguente mostra come diversi tipi di radiazione depositano energia in acqua; in essa è ben visibile il picco degli ioni carbonio.
Gli adroni carichi rilasciano molta della loro energia alla fine del percorso; inoltre, grazie alla loro massa, hanno una traiettoria pressoché rettilinea. Queste due proprietà fondamentali permettono un trattamento conforme in cui la dose viene rilasciata nel bersaglio tumorale con un’accuratezza più elevata rispetto alla radioterapia convenzionale che si avvale di elettroni e fotoni. I tumori per i quali è indicata l’adroterapia sono quelli localizzati nella base cranica, sul fondo dell’occhio e lungo la colonna vertebrale, ma anche i tumori pediatrici, i tumori del sistema nervoso centrale, della prostata, del fegato,
dell’apparato gastroenterico e del polmone possono beneficiare di un tale trattamento.Oltre alla miglior conformazione della dose ottenibile con protoni e ioni leggeri, questi ultimi hanno il vantaggio di possedere un’elevato LET (Linear Energy Transfer ).
Questo parametro è legato alla ionizzazione indotta nei tessuti e dipende dal quadrato della carica della particella. Un’elevata densità di ionizzazione permette una doppia rottura della catena del DNA, molto più difficile da riparare di una rottura singola. Non solo, per gli adroni il LET è più elevato nel picco di Bragg che nel canale di entrata. Tuttavia ioni con Z troppo elevato possono causare gravi danni sia nel canale d’entrata che nella coda (cioè oltre il picco di Bragg). La carica Z dello ione va dunque determinata con particolare cura: allo stato attuale delle conoscenze la scelta migliore è lo ione C6+ caratterizzato da una efficacia biologica relativa (RBE) che è circa tre volte quella dei protoni nella regione del picco di Bragg mentre rimane pressoché la stessa nel canale d’entrata. Gli ioni C6+ sembrano quindi essere i più adatti per il trattamento di tumori radioresistenti.1 2
L’acceleratore del CNAO – Centro Nazionale di Adroterapia Oncologico è un
acceleratore normalconduttivo costituito da due sorgenti ECR per la produzione di ioni carbonio C4+ e H3+. Una linea di trasporto a bassa energia LEBT, un acceleratore lineare LINAC costituito da un RFQ ed una struttura IH – DTL che accelera il fascio da 8 keV/u a 7 MeV/u. Il fascio incontra quindi uno stripper foil di Carbonio passando dallo stato di carica tetravalente a quello esavalente per poi essere accelerato dalla cavità RF del sincrotrone.
Le cavità acceleratici del Linac sono strutture normalconduttive in acciaio ramato per via elettrochimica. Risulta di fondamen
Questo lavoro di tesi si propone di individuare, studiare e realizzare un dispositivo da applicare alle sorgenti magnetron-sputtering per aumentare la velocità delle deposizioni di film sottili. Le prove di deposizione sono state fatte utilizzando il niobio inquanto il dispositivo studiato potrebbe venire applicato alla deposizione di questo metallo superconduttore all’interno di cavità acceleratrici in radiofrequenza per acceleratori di particelle. Il problema che ci si è proposti di risolvere è quello di aumentare l’efficienza di ionizzazione del plasma da parte degli elettroni prodotti da una scarica elettrica in vuoto del tipo glow discharge. In una sorgente a diodo gli elettroni vengono persi perché assorbiti dall’anodo. In un magnetron gli stessi elettroni vengono fatti spiralizzare attorno alle linee di campo magnetico e compiendo un percorso più lungo per arrivare all’anodo effettuano un numero maggiore di collisioni ionizzanti.
Varie scuole di pensiero puntano ad aumentare l’efficienza di ionizzazione utilizzando differenti soluzioni (per esempio coupling del plasma induttivo con una sorgente a mircoonde, ECR), nel nostro caso sono state sviluppate delle sorgenti “extra” di elettroni chiamate Hollow Cathode da affiancare ai magnetron in modo da aumentare il numero di elettroni utili per la ionizzazione.
Recentemente la realizzazione di sorgenti magnetron-sputtering compatte, semplici e poco costose ha esteso l’utilizzo delle tecniche di deposizione di film sottili anche al settore low-tech come per esempio quello dei ricoprimenti decorativi oppure protettivi per il packaging nell’industria alimentare. Questo lavoro di tesi quindi, proponendosi di velocizzare la produzione di film sottili e di migliorarne la qualità, si inserisce in un contesto industriale di grande attualità
Presentazione di base relativa ai concetti della Compatibilità Elettromagnetica (EMC). Nello scritto si trovano informazioni sulle normative iEC, sugli ambienti e sulla loro struttura, sulle prove irradiate e sulle prove condotte.
Studio e sviluppo di una soluzione circuitale per la simulazione di un rivela...DanieleMarchese6
Studio e sviluppo di una soluzione circuitale per la simulazione di un rivelatore THz basato su matrice di bolometri micromeccanici. Laurea triennale in ingegneria elettronica e informatica. Daniele Marchese.
1. Quantum wells a semiconduttore
Direzione
di crescita
del cristallo
• Molecular beam epitaxy (MBE)
Metodi di
crescita • Metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD)
2. Eterostrutture - quantum wells accoppiati
Due quantum wells isolati: livelli identici, isolati
Due quantum wells accoppiati: i livelli isolati si dividono in due livelli per il
sistema combinato, leggermente spostati dalla posizione originale
3. Eterostrutture - superreticoli
quantum well isolato :
N quantum wells accoppiati : i livelli isolati si dividono in N livelli per il sistema
combinato, tutti leggermente spostati rispetto alla posizione originale. Formano
una mini-banda di stati
4. Confinamento quantico: superreticoli e MQW
Superreticolo: alternanza di strati di
semiconduttori diversi (in genere cresciuti per
MBE)
Multiple Quantum Wells: superreticolo con
spaziatura sufficiente a impedire tunneling
5. Metodi usati per costruire nanostrutture di dimensionalità e quindi DOS diverse
Molecular beam epitaxy
2D (film sottili), 0D (quantum dots)
Sintesi chimica
1D (q-wires), 0D (q-dots)
Etching di strutture bulk
1D (pori/pillar)
Impiantazione e annealing
0D (q-dots)
Litografia elettronica (dimensioni non veramente confinate – solitamente >30nm)
Filling of holes
1D (q-wires), 0D (q-dots sul fondo di pori)
Nanowires: crescita VLS
1D (q-wires), ‘1.5D’ (ribbons/belts)
Il bandgap dei semiconduttori può essere modificato, modulando la dimensionalità del
sistema
Si ottengono quindi materiali ottici che
- Possono emettere su un ampio intervallo di frequenze
- Hanno una DOS che può essere ingenierizzata
⇒ i semiconduttori nanostrutturati possono essere usati per ottenere una varietà di
sorgenti laser
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
6. Laser a Quantum Wire e Quantum Dot
Diagramma della densità di stati (DOS)
in banda di conduzione (CB) e in banda
di valenza (VB) per laser (a) doppia
eterostruttura, (b) quantum well, (c)
quantum wire, e (d) quantum dot.
Nei sistemi bidimensionali, il prodotto del
numero di occupazione per la densità di stati
aumenta molto più rapidamente che nei sistemi
3D, dove la densità di stati va a zero a bordo
banda.
Minore la dimensionalità maggiore la densità di
stati vicino bordo banda
=> Maggiore la frazione di portatori iniettati che
contribuiscono (nei laser) all’inversione di
popolazione e al guadagno
7. Fondamenti sul
funzionamento
Laser
(a) “Pompando” energia in un semiconduttore si promuove un elettrone in banda di conduzione.
L’elettrone lascia dietro di sé una buca nella banda di valenza normalmente piena, e quindi si crea
una coppia e-h. L’elettrone e la buca rilassano, ognuno nei rispettivi stati a bordo banda tramite
processi non radiativi. Nella transizione a bordo banda, quando l’elettrone eccitato spontaneamente
ricombina con la buca, viene emesso un fotone. (b) Si ha emissione stimolata quando un fotone
stimola il decadimento dell’elettrone eccitato. Il fotone emesso ha esattamente la stessa frequenza,
fase, e polarizzazione del fotone iniziale. (c) Per un ground state che contiene due elettroni,
l’eccitazione di solo un elettrone (popolazioni uguali) provoca due fenomeni equiprobabili:
Il fotone incidente stimola l’elettrone eccitato a decadere, producendo un ulteriore fotone (sinistra),
o il fotone eccita l’elettrone del ground-state e viene quindi assorbito (destra). In questo caso non
c’è guadagno netto di fotoni e il mezzo è in regime di trasparenza. (d) Se ci sono più elettroni nello
stato eccitato di quanti ce ne siano nel ground state (inversione di popolazione) si ha guadagno
ottico perché l’assorbimento di fotoni è inibito. Se si realizza l’inversione di popolazione in un
sistema bulk e se il guadagno dall’emissione stimolata è maggiore delle perdite per assorbimento o
scattering di fotoni, il sistema ha una emissione spontanea amplificata (ASE). In un laser, si mette
un mezzo in grado di realizzare ASE in una cavità riflettente in modo tale che il campo generato si
rafforzi.
8. Usando materiali semiconduttori composti disponibili si possono progettare
emettitori nel range ~300-1600nm
Il bandgap dipende da
- composizione
- struttura (q-wells, q-dots)
10. Laser a Quantum well
Nelle eterostrutture, un band gap più piccolo è
solitamente associato a un indice di rifrazione
maggiore. Quindi uno strato di GaAs fra due strati
di AlGaAs confina sia gli elettroni che la luce.
I portatori devono essere catturati nel QW efficientemente per sfruttare i vantaggi del
sistema 2D (alto guadagno, bassa corrente di soglia).
14. Immagini STM (100 x 100 nm) di
QDs di InAs/GaAs cresciuti per
MBE su substrati di (100), (311)A,
e (311)B GaAs. Substrati con
orientazioni diverse permettono di
ottenere un controllo sulla forma
dei QDs.
16. QD L — Principio di funzionamento
elettroni
n-cladding
p-cladding
OCL
OCL
QD
holes
a) Sopressione della b) “Caso limite”
ricombinazione parassitica
nell’ OCL
17. Laser “nanotecnologici”: cascata quantica (QC)
Obiettivi:
- laser nel medio infrarosso con lunghezza d’onda scelta ad-hoc (es. per analisi tracce)
- altissima efficienza (bassa corrente di soglia, elevata potenza)
Band-gap engineered grazie allo spessore del film
Emissione di molti fotoni a cascata
Partecipano solo gli elettroni (meccanismo
unipolare)
Un elettrone viene iniettato nel livello 3 della
prima zona attiva, ed emette un fotone
decadendo al livello 2 (il ΔE dipende dallo
spessore).
Quindi “tunnela” attraverso la stretta barriera
verso la zona attiva 2. Il processo di
emissione si ripete in una configurazione “a
cascata” (molti fotoni da un solo elettrone
iniettato)
19. Multistrati accoppiati generano
‘minibande’ – molti livelli permessi
strettamente spaziati separati da
un ‘minigap’
Eccitazione
La regione di iniezione è
progettata in modo da
ottimizzare l’iniezione di
elettroni nello stato eccitato
della regione attiva (3)
(Il più basso livello energetico
dell’iniettore è allineato con lo
stato eccitato)
Emissione
Transizione laser : transizione fra i livelli 3 e 2 della banda
di conduzione (fra sottobande). “Transizione Intrabanda”
Rilassamento
Dopo la transizione laser è necessario un rilassamento veloce dal livello 2 al livello 1
Ottenuto progettando la spaziatura fra livelli in modo che lo svuotamento del livelli è
“phonon assisted”
Il processo può essere ripetuto perché il portatore (e) rimane in banda
21. Fabbricazione di QC-laser
Combinazione di MBE (controllo spessori)
e litografia (definizione laterale)
Iniettore
Zona attiva
22.
23. QC Laser — Dati
λL Jth [A/cm2] /
Pout operation T first
mode demo
[mW] Eth [kV/cm]
[μm]
[year]
3.4 – 80 200 – 300 250 – 290 / PM or CW 350 1994
(CW) up to 7.5 – 48 on cooler AT&T
1000 (PM) Bell Labs
Material systems: GaAs based, InP based, Si / SiGe on GaSb, InAs / AlSb on
GaSb
CW = continuous wave; PM = pulse mode
Applicazioni:
• Militari e sicurezza
• Commerciali, Mediche
• Free-Space Optical Communication Systems e Astronomia
• Rivelazione di gas basata su spettroscopia laser con lasers CW o QC
DFB impulsati (sensori chimici)